HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN PHÂN TÁN Lecture Notes Distributed Control Systems TS. Hoàng Minh Sơn BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, KHOA ĐIỆN ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIMỤC LỤC 1 NHẬP MÔN 1 1.1 Phạm vi đề cập 1 1.2 Nội dung chương trình 1 1.3 Yêu cầu kiến thức cơ sở 2 1.4 Tổng quan các giải pháp điều khiển 2 1.4.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển 2 1.4.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp 3 1.4.3 Hệ điều khiển phân tán 3 2 CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 5 2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản 5 2.2 Mô hình phân cấp 6 2.2.1 Cấp chấp hành 7 2.2.2 Cấp điều khiển 7 2.2.3 Cấp điều khiển giám sát 8 2.3 Cấu trúc điều khiển 8 2.3.1 Điều khiển tập trung 8 2.3.2 Điều khiển tập trung với vàora phân tán 9 2.3.3 Điều khiển phân tán 10 2.3.4 Điều khiển phân tán với vàora phân tán 11 3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 13 3.1 Cấu hình cơ bản 13 3.1.1 Trạm điều khiển cục bộ 14 3.1.2 Bus trường và các trạm vàora từ xa 15 3.1.3 Trạm vận hành 17 3.1.4 Trạm kỹ thuật và các công cụ phát triển 18 3.1.5 Bus hệ thống 19 3.2 Phân loại 21 3.2.1 Các hệ DCS truyền thống 21 3.2.2 Các hệ DCS trên nền PLC 21 3.2.3 Các hệ DCS trên nền PC 25 3.3 Các vấn đề kỹ thuật 26 4 XỬ LÝ THỜI GIAN THỰC VÀ XỬ LÝ PHÂN TÁN 28 4.1 Một số khái niệm cơ bản 28 4.1.1 Hệ thống thời gian thực 28 4.1.2 Xử lý thời gian thực 28 4.1.3 Hệ điều hành thời gian thực 294.1.4 Xử lý phân tán 31 4.2 Các kiến trúc xử lý phân tán 31 4.3 Cơ chế giao tiếp 32 4.4 Đồng bộ hóa trong xử lý phân tán 34 4.4.1 Đồng bộ hóa các tín hiệu vàora 34 4.4.2 Đồng bộ hóa thời gian 34 5 CÔNG NGHỆ ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 36 5.1 Lập trình hướng đối tượng 36 5.2 Phân tích và thiết kế hướng đối tượng 36 5.2.1 Ngôn ngữ mô hình hóa thống nhất UML 38 5.2.2 Mẫu thiết kế 38 5.2.3 Phần mềm khung 39 5.3 Phần mềm thành phần 39 5.4 Đối tượng phân tán 40 6 KIẾN TRÚC ĐỐI TƯỢNG PHÂN TÁN 42 6.1 Yêu cầu chung 42 6.2 Các mẫu thiết kế 42 6.3 Giới thiệu chuẩn CORBA 43 6.4 Giới thiệu chuẩn COMDCOM 44 6.4.1 Giao diện 45 6.4.2 Đối tượng COM 46 6.4.3 Giao tiếp giữa client và object 49 6.4.4 Ngôn ngữ mô tả giao diện 51 6.4.5 Mô hình đối tượng thành phần phân tán DCOM 51 7 CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 53 7.1 IEC61131 53 7.1.1 Mô hình phần mềm 54 7.1.2 Mô hình giao tiếp 55 7.2 IEC61499 56 7.2.1 Mô hình hệ thống 57 7.2.2 Mô hình thiết bị 58 7.2.3 Mô hình tài nguyên 58 7.2.4 Mô hình ứng dụng 60 7.2.5 Mô hình khối chức năng 61 7.2.6 Mô hình phân tán 63 7.2.7 Mô hình quản lý 63 7.2.8 Mô hình trạng thái hoạt động 63 8 MỘT SỐ CHUẨN GIAO TIẾP CÔNG NGHIỆP 658.1 MMS 65 8.2 IEC611315 69 8.2.1 Mô hình giao tiếp mạng 69 8.2.2 Dịch vụ giao tiếp 69 8.2.3 Các khối chức năng giao tiếp 70 8.3 OPC 72 8.3.1 Tổng quan về kiến trúc OPC 72 8.3.2 OPC Custom Interfaces 75 8.3.3 OPC Automation Interface 76 8.4 Ngôn ngữ đánh dấu khả mở XML 77 8.4.1 Giới thiệu chung 77 8.4.2 Ứng dụng XML trong phần mềm khung iPC 78 9 MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 81 9.1 Các phương pháp mô tả đồ họa 81 9.2 Lưu đồ PID 82 9.2.1 Chuẩn ISA S5.1 82 9.2.2 Chuẩn ISA S5.3 87 9.3 Mô hình hóa hướng đối tượng 88 10 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 89 10.1 Lập trình theo chuẩn IEC 611313 89 10.1.1 Kiểu dữ liệu 90 10.1.2 Tổ chức chương trình 92 10.1.3 Ngôn ngữ FBD 95 10.1.4 Ngôn ngữ ST 96 10.1.5 Ngôn ngữ SFC 97 10.2 Lập trình với ngôn ngữ bậc cao 98 11 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 99 11.1 Giới thiệu chung về các hệ điều khiển giám sát 99 11.1.1 Các thành phần chức năng cơ bản 100 11.1.2 Công cụ phần mềm SCADAHMI 101 11.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống 104 11.3 Thiết kế giao diện ngườimáy 104 11.3.1 Yêu cầu chung 105 11.3.2 Các phương pháp giao tiếp ngườimáy 105 11.3.3 Thiết kế cấu trúc màn hình 105 11.3.4 Các nguyên tắc thiết kế 106 12 TÍNH SẴN SÀNG VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ ĐKPT 107 12.1 Đặt vấn đề 10712.2 Cơ chế dự phòng 107 12.3 Cơ chế an toàn 108 12.4 Cơ chế khởi động lại sau sự cố 108 12.5 Bảo mật 108 12.6 Bảo trì 108 13 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 110 13.1 Đánh giá và lựa chọn các sản phẩm DCS tích hợp trọn vẹn 110 13.1.1 Phạm vi chức năng 110 13.1.2 Cấu trúc hệ thống và các thiết bị thành phần 110 13.1.3 Tính năng mở 110 13.1.4 Phát triển hệ thống 111 13.1.5 Độ tin cậy và tính sẵn sàng 111 13.1.6 Giá thành, chi phí 111 13.2 So sánh giải pháp DCS tích hợp trọn vẹn với các giải pháp khác 112 14 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TIÊU BIỂU 113 14.1 PCS7 của Siemens 113 14.2 PlantScape của Honeywell 113 14.3 DeltaV của Fisher Rosermount 113 14.4 Centum CS1000CS3000 của Yokogawa 113 14.5 AdvantOCS của ABB 113 15 MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 114 15.1 Trí tuệ nhân tạo phân tán 114 15.2 Điều khiển và giám sát các hệ thống giao thông 115 15.2.1 Đặt vấn đề 115 15.2.2 Mô hình hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông bằng công nghệ Agent 116 15.3 Điều khiển và giám sát các hệ thống sản xuất và cung cấp điện 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 11: Lịch sử phát triển các giải pháp điều khiển................................3 Hình 21: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát 5 Hình 22: Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát7 Hình 23: Cấu trúc điều khiển tập trung với vàora tập trung.....................9 Hình 24: Cấu trúc điều khiển tập trung với vàora phân tán ...................10 Hình 25: Cấu trúc điều khiển phân tán với vàora tập trung ...................11 Hình 26: Cấu trúc điều khiển phân tán với vàora phân tán....................12 Hình 31: Cấu hình cơ bản một hệ điều khiển phân tán...........................13 Hình 32: Mộ số hình ảnh tủ điều khiển DCS ..........................................16 Hình 33: Các phương pháp bố trí trạm vận hành....................................18 Hình 34: Cấu hình tiêu biểu một hệ điều khiển phân tán hiện đại..........20 Hình 35: Các thành phần chức năng chính của một PLC ........................24 Hình 51: Mô hình hóa một hệ thống điều khiển sử dụng UML................38 Hình 61: Các mẫu thiết kế giao tiếp giữa client và đối tượng server ........43 Hình 62: Cấu trúc mô hình CORBA........................................................44 Hình 63: Mô hình một đối tượng COM....................................................46 Hình 64: Sự thực thi con trỏ giao diện....................................................47 Hình 65: Giao tiếp giữa đối tượng và khách hàng....................................49 Hình 66: Giao tiếp giữa hai đối tượng .....................................................50 Hình 67: Giao tiếp giữa đối tượng và khách hàng trên cùng quá trình ....50 Hình 68: Giao tiếp giữa đối tượng và khách hàng trên hai quá trình khác nhau 51 Hình 69: Giao tiếp giữa đối tượng và khách hàng trên hai máy khác nhau với DCOM .............................................................................................52 Hình 71: Mô hình phần mềm theo IEC 611313 .....................................54 Hình 72: Giao tiếp bên trong chương trình .............................................55 Hình 73: Giao tiếp giữa các chương trình trong cùng một cấu hình bằng biến toàn cục ........................................................................................55 Hình 74: Giao tiếp qua khối chức năng ..................................................56 Hình 75: Giao tiếp qua đường dẫn truy cập............................................56Hình 76: Mô hình hệ thống theo IEC 61499 ...........................................57 Hình 77: Mô hình thiết bị theo IEC 61499 (ví dụ thiết bị 2 trong Hình 76. 58 Hình 78: Mô hình tài nguyên ..................................................................59 Hình 79: Mô hình ứng dụng....................................................................60 Hình 710: Mô hình khối chức năng ..........................................................61 Hình 8.1: Mô hình giao tiếp mạng theo IEC 611315 ...............................69 Hình 8.2: Kiến trúc sơ lược của OPC .......................................................73 Hình 8.3: Kiến trúc ClientServer trong OPC............................................74 Hình 8.4: OPC Custom Interfaces............................................................75 Hình 8.5: Mô hình phát triển iPC ............................................................78 Hình 9.1: Lưu đồ chi tiết một vòng điều khiển áp suất (bên trái) và lưu đồ đơn giản hóa (bên phải) ........................................................................86 Hình 101: Minh họa một số ngôn ngữ lập trình PLC.................................89 Hình 102: Khai báo và sử dụng một hàm ..............................................93 Hình 103: Khai báo hàm nạp chồng và hàm thông thường ....................94 Hình 104: Khai báo và sử dụng một khối chức năng .............................94 Hình 105: Một ví dụ SFC đơn giản ...........................................................98 Hình 111: Các thành phần phần mềm trong một hệ SCADA...................101© 2002, Hoàng Minh Sơn 1 1 NHẬP MÔN 1.1 Phạm vi đề cập Phạm vi đề cập của môn Hệ thống điều khiển phân tán là các hệ thống tự động hoá hiện đại có cấu trúc phân tán trong công nghiệp cũng như trong nhiều lĩnh vực khác. Môn học được xây dựng trên cơ sở ứng dụng các tiến bộ mới nhất của kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật truyền thông công nghiệp, công nghệ phần mềm vào trong các hệ thống điều khiển và giám sát. Mục đích của môn học cho sinh viên làm quen với cấu trúc và các thiết bị phần cứng cũng như các thành phần phần mềm của các hệ thống điều khiển và giám sát hiện đại, nắm được các nguyên tắc và phương pháp cơ bản cho hướng giải quyết những bài toán thường được đặt ra trong thực tế như thiết kế cấu trúc hệ thống, tích hợp hệ thống, đưa vào vận hành và chẩn đoán hệ thống. Bên cạnh đó, môn học đưa ra các hướng nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng mới, tạo cơ sở cho các sinh viên muốn tiếp tục học và nghiên cứu ở các bậc sau đại học. 1.2 Nội dung chương trình Nội dung bài giảng bao gồm các chủ đề chính sau: • Cấu trúc các hệ thống điều khiển và giám sát: Mô hình phân cấp, các thành phần chức năng cơ bản, mô tả hệ thống • Cơ sở tin học: Xử lý phân tán, công nghệ hướng đối tượng, phần mềm thành phần • Các hệ thống điều khiển phân tán truyền thống (DCS): Cấu trúc hệ thống, các thành phần hệ thống, phương pháp phát triển hệ thống, giới thiệu một số hệ DCS tiêu biểu. • Các hệ thống điều khiển phân tán trên nền PLC (PLCbased DCS) • Các hệ thống điều khiển phân tán trên nền PC (PCbased DCS) • Hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA): Cấu trúc hệ thống, công cụ phần mềm, thiết kế giao diện ngườimáy • Các chuẩn giao tiếp công nghiệp: MMS, OPC, XML • Các hướng nghiên cứu và ứng dụng.© 2002, Hoàng Minh Sơn 2 1.3 Yêu cầu kiến thức cơ sở Phần lớn nội dung các bài giảng mang tính chất tổng hợp, liên môn, giành cho sinh viên năm cuối. Bên cạnh các môn cơ sở chuyên ngành, yêu cầu học viên phải nắm vững kiến thức cơ bản trong các môn học sau: • Điều khiển số • Mạng truyền thông công nghiệp • Kỹ thuật lập trình C++ (hướng đối tượng) Bên cạnh bài giảng, phần lớn các tài liệu tham khảo cho môn học được tập hợp trong một đĩa CD để các học viên có thể tự sao chép. 1.4 Tổng quan các giải pháp điều khiển 1.4.1 Đặc trưng các lĩnh vực ứng dụng điều khiển Khi xây dựng một giải pháp điều khiển, ta phải quan tâm tới qui mô và đặc thù của lĩnh vực ứng dụng. Một vài lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu và các giải pháp điều khiển đặc thù tương ứng được tóm tắt dưới đây. • Điều khiển các thiết bị và máy móc đơn lẻ (công nghiệp và gia dụng): Các máy móc, thiết bị được sản xuất hàng loạt, vì vậy yêu cầu đầu tư cho giải pháp điều khiển phải thật tiết kiệm (chương trình nhỏ, tốn ít bộ nhớ). Các bài toán điều khiển có thể rất khác nhau, từ điều khiển logic tới điều khiển phản hồi, điều khiển chuyển động, điều khiển mờ,… Các giải pháp điều khiển tiêu biểu là điều khiển nhúng (µP, µC), CNC, PLC,... • Tự động hóa công nghiệp, được chia ra hai lĩnh vực: • Công nghiệp chế biến, khai thác: Các bài toán điều khiển tiêu biểu là điều khiển quá trình (process control), điều khiển trình tự (sequence control), bên cạnh điều khiển logic. Các thiết bị được dùng phổ biến là PLC, DCS, (I)PC, Compact Digital Controllers. • Công nghiệp chế tạo, lắp ráp: Các bài toán điều khiển tiêu biểu là điều khiển logic, điều khiển chuyển động, điều khiển sự kiện rời rạc. Các thiết bị được dùng chủ yếu là PLC, CNC, PC. Nay các hệ DCS cũng tìm được một số ứng dụng trong lĩnh vực này. • Điều khiển các hệ thống giao thông, vận tải: Đặc thù là các bài toán điều khiển logic, điều khiển sự kiện rời rạc. Các thiết bị được dùng là PLC, DCS, PC, µP, µC,...© 2002, Hoàng Minh Sơn 3 • Điều khiển các hệ thống phân phối năng lượng (dầu khí, gas, điện): Kết hợp giữa các bài toán điều khiển quá trình với điều khiển sự kiện rời rạc, điều khiển logic, sử dụng PLC, DCS, IPC,... • Tự động hóa tòa nhà: Rơle, PLC, µp, µC,... • Điều khiển và giám sát các hệ thống quốc phòng: IPC, µP, µC, DSP và các thiết bị đặc chủng khác. • Điều khiển và giám sát các hệ thống thủy lợi, môi trường: PLC, IPC, ... • ... 1.4.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp Chương trình học đặt trọng tâm vào các giải pháp điều khiển công nghiệp, chia làm hai lĩnh vực ứng dụng cơ bản: • Công nghiệp chế biến, khai thác (Process Industry): Dầu khí, hóa dầu, hóa mỹ phẩm, dược phẩm, xi măng, giấy, ... • Công nghiệp chế tạo, lắp ráp (Manufactoring Industry): Công nghiệp ôtô, máy công cụ, công nghiệp điện tử, vi điện tử, thiết bị dân dụng,... Hình 11: Lịch sử phát triển các giải pháp điều khiển 1.4.3 Hệ điều khiển phân tán Hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System, DCS) là một khái niệm xuất xứ từ các ngành công nghiệp chế biến, chỉ các hệ thống điều khiển ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤCTRÌNH TỰ ĐIỀU KHIỂN RỜI RẠCLOGIC Các bộ điều khiển cơ Bộ điều khiển PID khí nén (19201930) Bộ điều khiển PID điện tử (19401950) Direct Digital Controller DDC (ĐK tập trung, 19651975) Compact Digital Controller DCS PLCbased DCS PCbased DCS DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS Các hệ điều khiển cơ Programmable Logic Controller (PLC), 1970 Rơle điện© 2002, Hoàng Minh Sơn 4 quá trình tích hợp trọn vẹn của một nhà sản xuất. Ngày nay, khái niệm DCS được hiểu với nghĩa rộng hơn nhiều, để chỉ tất cả các hệ thống điều khiển tích hợp toàn diện có cấu trúc điều khiển phân tán. Vì thế, ứng dụng các hệ điều khiển phân tán không những phổ biến trong công nghiệp chế biến, mà còn lan rộng sang các lĩnh vực khác. Các hệ DCS ngày nay chiếm khoảng 12% thị phần trong cả thị trường tự động hóa. Kiến trúc và các giải pháp điều khiển công nghiệp cũng được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực ứng dụng khác. Vì thế, các nội dung đề cập trong chương trình cũng mang tính tổng quát, có thể áp dụng ngoài các ứng dụng công nghiệp. Ví dụ, các hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống giao thông, vận tải (đường bộ, đường sắt hoặc hàng không) hoặc hệ thống phân phối năng lượng cũng đều là các lĩnh vực thích hợp ứng dụng phương pháp điều khiển phân tán.© 2002, Hoàng Minh Sơn 5 2 CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 2.1 Cấu trúc và các thành phần cơ bản Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát quá trình được minh họa trên Hình 21. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa các thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Trong khi đó, hệ thống điều khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy. Các thiết bị có thể được ghép nối trực tiếp điểmđiểm, hoặc thông qua mạng truyền thông. Hình 21: Các thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển và giám sát Tùy theo loại cảm biến, tín hiệu của chúng đưa ra có thể là tín hiệu nhị phân, tín hiệu số hay tín hiệu tương tự theo các chuẩn điện học thông dụng khác nhau (1..10V, 0..5V, 4..20mA, 0..20mA, v.v...). Trước khi có thể xử lý trong máy tính số, các tín hiệu đo cần được chuyển đổi, thích ứng với chuẩn giao diện vàora của máy tính. Bên cạnh đó, ta cũng cần các biện pháp cách ly điện học để tránh sự ảnh hưởng xấu lẫn nhau giữa các thiết bị. Đó chính là các chức năng của các module vàora (IO). NI network interface (giao diện mạng) IO inputoutput (vàora) nối trực tiếp nối qua mạng Hệ thống điều khiển giám sát Thiết bị điều khiển tự động Cảm biến và chấp hành IO IO NI NI NI NI Quá trình kỹ thuật NI NI© 2002, Hoàng Minh Sơn 6 Tóm lại, một hệ thống điều khiển và giám sát bao gồm các thành phần chức năng chính sau đây: • Giao diện quá trình: Các cảm biến và cơ cấu chấp hành, ghép nối vàora, chuyển đổi tín hiệu. • Thiết bị điều khiển tự động: Các thiết bị điều khiển như các bộ điều khiển chuyên dụng, bộ điều khiển khả trình PLC (programmable logic controller), thiết bị điều chỉnh số đơn lẻ (compact digital controller) và máy tính cá nhân cùng với các phần mềm điều khiển tương ứng. • Hệ thống điều khiển giám sát: Các thiết bị và phần mềm giao diện người máy, các trạm kỹ thuật, các trạm vận hành, giám sát và điều khiển cao cấp. • Hệ thống truyền thông: Ghép nối điểmđiểm, bus cảm biếnchấp hành, bus trường, bus hệ thống. • Hệ thống bảo vệ, cơ chế thực hiện chức năng an toàn. 2.2 Mô hình phân cấp Càng ở những cấp dưới thì các chức năng càng mang tính chất cơ bản hơn và đòi hỏi yêu cầu cao hơn về độ nhanh nhạy, thời gian phản ứng. Một chức năng ở cấp trên được thực hiện dựa trên các chức năng cấp dưới, tuy không đòi hỏi thời gian phản ứng nhanh như ở cấp dưới, nhưng ngược lại lượng thông tin cần trao đổi và xử lý lại lớn hơn nhiều. Thông thường, người ta chỉ coi ba cấp dưới thuộc phạm vi của một hệ thống điều khiển và giám sát. Tuy nhiên, biểu thị hai cấp trên cùng (quản lý công ty và điều hành sản xuất) trên giúp ta hiểu thêm một mô hình lý tưởng cho cấu trúc chức năng tổng thể cho các công ty sản xuất công nghiệp.© 2002, Hoàng Minh Sơn 7 Hình 22: Mô hình phân cấp chức năng của một hệ thống điều khiển và giám sát 2.2.1 Cấp chấp hành Các chức năng chính của cấp chấp hành là đo lường, truyền động và chuyển đổi tín hiệu trong trường hợp cần thiết. Thực tế, đa số các thiết bị cảm biến (sensor) hay cơ cấu chấp hành (actuator) cũng có phần điều khiển riêng cho việc thực hiện đo lườngtruyền động được chính xác và nhanh nhạy. Các thiết bị thông minh1 cũng có thể đảm nhận việc xử lý thô thông tin, trước khi đưa lên cấp điều khiển. 2.2.2 Cấp điều khiển Nhiệm vụ chính của cấp điều khiển là nhận thông tin từ các cảm biến, xử lý các thông tin đó theo một thuật toán nhất định và truyền đạt lại kết quả xuống các cơ cấu chấp hành. Khi còn điều khiển thủ công, nhiệm vụ đó được người đứng máy trực tiếp đảm nhiệm qua việc theo dõi các công cụ đo lường, sử dụng kiến thức và kinh nghiệm để thực hiện những thao tác cần thiết như ấn nút đóngmở van, điều chỉnh cần gạt, núm xoay v.v... Trong một hệ thống 1 Một thiết bị được gọi là thông minh, khi nó có khả năng xử lý thông tin. Thực tế, mỗi thiết bị thông minh phải có ít nhất một bộ vi xử lý riêng. QL công ty Điều hành sản xuất Điều khiển Điều khiển giám sát Chấp hành Quá trình kỹ thuật Giám sát, vận hành, Điều khiển cao cấp, Lập báo cáo Điều khiển, điều chỉnh, bảo vệ, an toàn ghi chép tường trình Đo lường, truyền động, chuyển đổi tín hiệu Đánh giá kết quả, lập kế hoạch sản xuất, bảo dưỡng máy móc, tính toán tối ưu hoá sản xuất Tính toán giá thành, lãi suất thống kê số liệu sản xuất, kinh doanh, xử lý đơn đặt hàng, kế hoạch tài nguyên Cấp trường Cấp điều khiển quá trình© 2002, Hoàng Minh Sơn 8 điều khiển tự động hiện đại, việc thực hiện thủ công những nhiệm vụ đó được thay thế bằng máy tính. 2.2.3 Cấp điều khiển giám sát Cấp điều khiển giám sát có chức năng giám sát và vận hành một quá trình kỹ thuật. Khi đa số các chức năng như đo lường, điều khiển, điều chỉnh, bảo toàn hệ thống được các cấp cơ sở thực hiện, thì nhiệm vụ của cấp điều khiển giám sát là hỗ trợ người sử dụng trong việc cài đặt ứng dụng, thao tác, theo dõi, giám sát vận hành và xử lý những tình huống bất thường. Ngoài ra, trong một số trường hợp, cấp này còn thực hiện các bài toán điều khiển cao cấp như điều khiển phối hợp, điều khiển trình tự và điều khiển theo công thức (ví dụ trong chế biến dược phẩm, hoá chất). Khác với các cấp dưới, việc thực hiện các chức năng ở cấp điều khiển giám sát thường không đòi hỏi phương tiện, thiết bị phần cứng đặc biệt ngoài các máy tính thông thường (máy tính cá nhân, máy trạm, máy chủ, termimal,...). Như ta sẽ thấy, phân cấp chức năng như trên sẽ tiện lợi cho việc thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Trong thực tế ứng dụng, sự phân cấp chức năng có thể khác một chút so với trình bày ở đây, tùy thuộc vào mức độ tự động hoá và cấu trúc hệ thống cụ thể. Trong những trường hợp ứng dụng đơn giản như điều khiển trang thiết bị dân dụng (máy giặt, máy lạnh, điều hòa độ ẩm,...), sự phân chia nhiều cấp có thể hoàn toàn không cần thiết. Ngược lại, trong tự động hóa một nhà máy lớn hiện đại như điện nguyên tử, sản xuất xi măng, lọc dầu, ta có thể chia nhỏ hơn nữa các cấp chức năng để tiện theo dõi. 2.3 Cấu trúc điều khiển Biến thể của cấu trúc cơ bản trên Hình 21 tìm thấy trong các giải pháp thực tế khác nhau ở sự phân bố chức năng điều khiển cũng như ở sự phân bố vị trí các máy tính quá trình và phụ kiện được lựa chọn. Căn cứ vào đó, ta có thể phân biệt giữa cấu trúc điều khiển tập trung và cấu trúc điều khiển phân tán, cấu trúc vàora tập trung và cấu trúc vàora phân tán. 2.3.1 Điều khiển tập trung Cấu trúc tiêu biểu của một hệ điều khiển tập trung (centralized control system) được minh họa trên Hình 23. Một máy tính duy nhất được dùng để điều khiển toàn bộ quá trình kỹ thuật. Máy tính điều khiển ở đây (MTĐK) có thể là các bộ điều khiển số trực tiếp (DDC), máy tính lớn, máy tính cá nhân hoặc các thiết bị điều khiển khả trình. Trong điều khiển công nghiệp, máy© 2002, Hoàng Minh Sơn 9 tính điều khiển tập trung thông thường được đặt tại phòng điều khiển trung tâm, cách xa hiện trường. Các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành được nối trực tiếp, điểmđiểm với máy tính điều khiển trung tâm qua các cổng vàora của nó. Cách bố trí vàora tại máy tính điều khiển như vậy cũng được gọi là vàora tập trung (central IO). Hình 23: Cấu trúc điều khiển tập trung với vàora tập trung Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 19651975. Ngày nay, cấu trúc tập trung trên đây thường thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa qui mô vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực hiện và giá thành một lần cho máy tính điều khiển. Điểm đáng chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ “trí tuệ”, tức chức năng xử lý thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất. Tuy nhiên, cấu trúc này bộc lộ những hạn chế sau: • Công việc nối dây phức tạp, giá thành cao • Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn • Độ tin cậy kém. 2.3.2 Điều khiển tập trung với vàora phân tán Cấu trúc vàora tập trung với cách ghép nối điểmđiểm thể hiện một nhược điểm cơ bản là số lượng lớn các cáp nối, dẫn đến giá thành cao cho dây dẫn và công thiết kế, lắp đặt. Một hạn chế khác nữa là phương pháp truyền dẫn tín hiệu thông thường giữa các thiết bị trường và thiết bị điều khiển dễ chịu ảnh hưởng của nhiễu, gây ra sai số lớn. Vấn đề này được khắc phục bằng phương pháp dùng bus trường như đã nêu trong phần trước. Hình 24 minh họa một cấu hình mạng đơn giản. Ở đây các module vàora được đẩy xuống A Phân đoạn 1 S A S A S Phân đoạn 2 Phân đoạn n MTĐK IO IO: inputoutput A: actuator S: sensor Phòng điều khiển trung tâm Hiện trường© 2002, Hoàng Minh Sơn 10 cấp trường gần kề với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, vì vậy được gọi là các vàora phân tán (Distributed IO) hoặc vàora từ xa (Remote IO). Một cách ghép nối khác là sử dụng các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông minh (màu xám trên hình vẽ), có khả năng nối mạng trực tiếp không cần thông qua các module vàora. Bên cạnh khả năng xử lý giao thức truyền thông, các thiết bị này còn đảm nhiệm một số chức năng xử lý tại chỗ như lọc nhiễu, chỉnh định thang đo, tự đặt chế độ, điểm làm việc, chẩn đoán trạng thái,v.v... Trong nhiều trường hợp, các thiết bị có thể đảm nhiệm cả nhiệm vụ điều khiển đơn giản. Hình 24: Cấu trúc điều khiển tập trung với vàora phân tán Sử dụng bus trường và cấu trúc vàora phân tán mang lại các ưu điểm sau: • Tiết kiệm dây dẫn và công đi dây, nối dây • Giảm kích thước hộp điều khiển • Tăng độ linh hoạt hệ thống nhờ sử dụng các thiết bị có giao diện chuẩn và khả năng ghép nối đơn giản • Thiết kế và bảo trì dễ dàng nhờ cấu trúc đơn giản • Khả năng chẩn đoán tốt hơn (các thiết bị hỏng được phát hiện dễ dàng) • Tăng độ tin cậy của toàn hệ thống. 2.3.3 Điều khiển phân tán Trong đa số các ứng dụng có qui mô vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữa của hệ thống. Một dây chuyền sản xuất thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể được phân bố tại nhiều vị trí cách xa nhau. Để khắc phục sự phụ thuộc vào một máy tính trung tâm trong cấu trúc tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số máy tính cục bộ, như Hình 25 minh họa. MTĐK IO S A IO S A IO S A S A S A bus trường Phòng ĐK trung tâm Hiện trường© 2002, Hoàng Minh Sơn 11 Hình 25: Cấu trúc điều khiển phân tán với vàora tập trung Các máy tính điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các phòng điều khiểnphòng điện của từng phân đoạn, phân xưởng, ở vị trí không xa với quá trình kỹ thuật. Các phân đoạn có liên hệ tương tác với nhau, vì vậy để điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các máy tính điều khiển. Trong phần lớn các trường hợp, các máy tính điều khiển được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều máy tính giám sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống. Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán (HĐKPT). Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung. Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành trung tâm mở ra các khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất. 2.3.4 Điều khiển phân tán với vàora phân tán Lưu ý rằng Hình 25 chỉ minh họa cách ghép nối điểmđiểm giữa một máy tính điều khiển với các cảm biến và cơ cấu chấp hành, sử dụng vàora tập trung. Tuy nhiên, ta cũng có thể sử dụng bus trường để thực hiện cấu trúc vàora phân tán như trên Hình 26. Khi đó, máy tính điều khiển có thể đặt tại
HỆ THỐNG ĐIỀU KHỂN PHÂN TÁN Lecture Notes Distributed Control Systems TS Hồng Minh Sơn BỘ MƠN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG, KHOA ĐIỆN ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI MỤC LỤC NHẬP MÔN 1.1 Phạm vi đề cập 1.2 Nội dung chương trình 1.3 Yêu cầu kiến thức sở 1.4 Tổng quan giải pháp điều khiển 1.4.1 Đặc trưng lĩnh vực ứng dụng điều khiển 1.4.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp 1.4.3 Hệ điều khiển phân tán 1 2 3 CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT 2.1 Cấu trúc thành phần 2.2 Mơ hình phân cấp 2.2.1 Cấp chấp hành 2.2.2 Cấp điều khiển 2.2.3 Cấp điều khiển giám sát 2.3 Cấu trúc điều khiển 2.3.1 Điều khiển tập trung 2.3.2 Điều khiển tập trung với vào/ra phân tán 2.3.3 Điều khiển phân tán 2.3.4 Điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 5 7 8 10 11 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 3.1 Cấu hình 3.1.1 Trạm điều khiển cục 3.1.2 Bus trường trạm vào/ra từ xa 3.1.3 Trạm vận hành 3.1.4 Trạm kỹ thuật công cụ phát triển 3.1.5 Bus hệ thống 3.2 Phân loại 3.2.1 Các hệ DCS truyền thống 3.2.2 Các hệ DCS PLC 3.2.3 Các hệ DCS PC 3.3 Các vấn đề kỹ thuật 13 13 14 15 17 18 19 21 21 21 25 26 XỬ LÝ THỜI GIAN THỰC VÀ XỬ LÝ PHÂN TÁN 4.1 Một số khái niệm 4.1.1 Hệ thống thời gian thực 4.1.2 Xử lý thời gian thực 4.1.3 Hệ điều hành thời gian thực 28 28 28 28 29 4.1.4 Xử lý phân tán 4.2 Các kiến trúc xử lý phân tán 4.3 Cơ chế giao tiếp 4.4 Đồng hóa xử lý phân tán 4.4.1 Đồng hóa tín hiệu vào/ra 4.4.2 Đồng hóa thời gian 31 31 32 34 34 34 CÔNG NGHỆ ĐỐI TƯỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 5.1 Lập trình hướng đối tượng 5.2 Phân tích thiết kế hướng đối tượng 5.2.1 Ngơn ngữ mơ hình hóa thống UML 5.2.2 Mẫu thiết kế 5.2.3 Phần mềm khung 5.3 Phần mềm thành phần 5.4 Đối tượng phân tán 36 36 36 38 38 39 39 40 KIẾN TRÚC ĐỐI TƯỢNG PHÂN TÁN 6.1 Yêu cầu chung 6.2 Các mẫu thiết kế 6.3 Giới thiệu chuẩn CORBA 6.4 Giới thiệu chuẩn COM/DCOM 6.4.1 Giao diện 6.4.2 Đối tượng COM 6.4.3 Giao tiếp client object 6.4.4 Ngôn ngữ mô tả giao diện 6.4.5 Mơ hình đối tượng thành phần phân tán DCOM 42 42 42 43 44 45 46 49 51 51 CÁC MƠ HÌNH ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 7.1 IEC-61131 7.1.1 Mơ hình phần mềm 7.1.2 Mơ hình giao tiếp 7.2 IEC-61499 7.2.1 Mơ hình hệ thống 7.2.2 Mơ hình thiết bị 7.2.3 Mơ hình tài ngun 7.2.4 Mơ hình ứng dụng 7.2.5 Mơ hình khối chức 7.2.6 Mơ hình phân tán 7.2.7 Mơ hình quản lý 7.2.8 Mơ hình trạng thái hoạt động 53 53 54 55 56 57 58 58 60 61 63 63 63 MỘT SỐ CHUẨN GIAO TIẾP CÔNG NGHIỆP 65 8.1 MMS 8.2 IEC-61131-5 8.2.1 Mơ hình giao tiếp mạng 8.2.2 Dịch vụ giao tiếp 8.2.3 Các khối chức giao tiếp 8.3 OPC 8.3.1 Tổng quan kiến trúc OPC 8.3.2 OPC Custom Interfaces 8.3.3 OPC Automation Interface 8.4 Ngôn ngữ đánh dấu khả mở XML 8.4.1 Giới thiệu chung 8.4.2 Ứng dụng XML phần mềm khung iPC 65 69 69 69 70 72 72 75 76 77 77 78 MÔ TẢ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 9.1 Các phương pháp mô tả đồ họa 9.2 Lưu đồ P&ID 9.2.1 Chuẩn ISA S5.1 9.2.2 Chuẩn ISA S5.3 9.3 Mơ hình hóa hướng đối tượng 81 81 82 82 87 88 10 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 10.1 Lập trình theo chuẩn IEC 61131-3 10.1.1 Kiểu liệu 10.1.2 Tổ chức chương trình 10.1.3 Ngơn ngữ FBD 10.1.4 Ngôn ngữ ST 10.1.5 Ngôn ngữ SFC 10.2 Lập trình với ngơn ngữ bậc cao 89 89 90 92 95 96 97 98 11 CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT 11.1 Giới thiệu chung hệ điều khiển giám sát 11.1.1 Các thành phần chức 11.1.2 Công cụ phần mềm SCADA/HMI 11.2 Xây dựng cấu trúc hệ thống 11.3 Thiết kế giao diện người-máy 11.3.1 Yêu cầu chung 11.3.2 Các phương pháp giao tiếp người-máy 11.3.3 Thiết kế cấu trúc hình 11.3.4 Các nguyên tắc thiết kế 99 99 100 101 104 104 105 105 105 106 12 TÍNH SẴN SÀNG VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ ĐKPT 12.1 Đặt vấn đề 107 107 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 Cơ chế dự phòng Cơ chế an toàn Cơ chế khởi động lại sau cố Bảo mật Bảo trì 107 108 108 108 108 13 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 110 13.1 Đánh giá lựa chọn sản phẩm DCS tích hợp trọn vẹn 110 13.1.1 Phạm vi chức 110 13.1.2 Cấu trúc hệ thống thiết bị thành phần 110 13.1.3 Tính mở 110 13.1.4 Phát triển hệ thống 111 13.1.5 Độ tin cậy tính sẵn sàng 111 13.1.6 Giá thành, chi phí 111 13.2 So sánh giải pháp DCS tích hợp trọn vẹn với giải pháp khác 112 14 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TIÊU BIỂU 14.1 PCS7 Siemens 14.2 PlantScape Honeywell 14.3 DeltaV Fisher Rosermount 14.4 Centum CS1000/CS3000 Yokogawa 14.5 AdvantOCS ABB 113 113 113 113 113 113 15 MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 114 15.1 Trí tuệ nhân tạo phân tán 114 15.2 Điều khiển giám sát hệ thống giao thông 115 15.2.1 Đặt vấn đề 115 15.2.2 Mơ hình hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thơng cơng nghệ Agent 116 15.3 Điều khiển giám sát hệ thống sản xuất cung cấp điện 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 119 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Lịch sử phát triển giải pháp điều khiển Hình 2-1: Các thành phần hệ thống điều khiển giám sát Hình 2-2: Mơ hình phân cấp chức hệ thống điều khiển giám sát7 Hình 2-3: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra tập trung Hình 2-4: Cấu trúc điều khiển tập trung với vào/ra phân tán 10 Hình 2-5: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra tập trung 11 Hình 2-6: Cấu trúc điều khiển phân tán với vào/ra phân tán 12 Hình 3-1: Cấu hình hệ điều khiển phân tán 13 Hình 3-2: Mộ số hình ảnh tủ điều khiển DCS 16 Hình 3-3: Các phương pháp bố trí trạm vận hành 18 Hình 3-4: Cấu hình tiêu biểu hệ điều khiển phân tán đại 20 Hình 3-5: Các thành phần chức PLC 24 Hình 5-1: Mơ hình hóa hệ thống điều khiển sử dụng UML 38 Hình 6-1: Các mẫu thiết kế giao tiếp client đối tượng server 43 Hình 6-2: Cấu trúc mơ hình CORBA 44 Hình 6-3: Mơ hình đối tượng COM 46 Hình 6-4: Sự thực thi trỏ giao diện 47 Hình 6-5: Giao tiếp đối tượng khách hàng 49 Hình 6-6: Giao tiếp hai đối tượng 50 Hình 6-7: Giao tiếp đối tượng khách hàng trình 50 Hình 6-8: Giao tiếp đối tượng khách hàng hai trình khác 51 Hình 6-9: Giao tiếp đối tượng khách hàng hai máy khác với DCOM 52 Hình 7-1: Mơ hình phần mềm theo IEC 61131-3 54 Hình 7-2: Giao tiếp bên chương trình 55 Hình 7-3: Giao tiếp chương trình cấu hình biến tồn cục 55 Hình 7-4: Giao tiếp qua khối chức 56 Hình 7-5: Giao tiếp qua đường dẫn truy cập 56 Hình 7-6: Mơ hình hệ thống theo IEC 61499 57 Hình 7-7: Mơ hình thiết bị theo IEC 61499 (ví dụ thiết bị Hình 7-6 58 Hình 7-8: Mơ hình tài ngun 59 Hình 7-9: Mơ hình ứng dụng 60 Hình 7-10: Mơ hình khối chức 61 Hình 8.1: Mơ hình giao tiếp mạng theo IEC 61131-5 69 Hình 8.2: Kiến trúc sơ lược OPC 73 Hình 8.3: Kiến trúc Client/Server OPC 74 Hình 8.4: OPC Custom Interfaces 75 Hình 8.5: Mơ hình phát triển iPC 78 Hình 9.1: Lưu đồ chi tiết vòng điều khiển áp suất (bên trái) lưu đồ đơn giản hóa (bên phải) 86 Hình 10-1: Minh họa số ngơn ngữ lập trình PLC 89 Hình 10-2: Khai báo sử dụng hàm 93 Hình 10-3: Khai báo hàm nạp chồng hàm thơng thường 94 Hình 10-4: Khai báo sử dụng khối chức 94 Hình 10-5: Một ví dụ SFC đơn giản 98 Hình 11-1: Các thành phần phần mềm hệ SCADA 101 NHẬP MÔN 1.1 Phạm vi đề cập Phạm vi đề cập môn Hệ thống điều khiển phân tán hệ thống tự động hố đại có cấu trúc phân tán công nghiệp nhiều lĩnh vực khác Môn học xây dựng sở ứng dụng tiến kỹ thuật điều khiển, kỹ thuật truyền thông công nghiệp, công nghệ phần mềm vào hệ thống điều khiển giám sát Mục đích mơn học cho sinh viên làm quen với cấu trúc thiết bị phần cứng thành phần phần mềm hệ thống điều khiển giám sát đại, nắm nguyên tắc phương pháp cho hướng giải toán thường đặt thực tế thiết kế cấu trúc hệ thống, tích hợp hệ thống, đưa vào vận hành chẩn đoán hệ thống Bên cạnh đó, mơn học đưa hướng nghiên cứu lý thuyết ứng dụng mới, tạo sở cho sinh viên muốn tiếp tục học nghiên cứu bậc sau đại học 1.2 Nội dung chương trình Nội dung giảng bao gồm chủ đề sau: • Cấu trúc hệ thống điều khiển giám sát: Mơ hình phân cấp, thành phần chức bản, mơ tả hệ thống • Cơ sở tin học: Xử lý phân tán, công nghệ hướng đối tượng, phần mềm thành phần • Các hệ thống điều khiển phân tán truyền thống (DCS): Cấu trúc hệ thống, thành phần hệ thống, phương pháp phát triển hệ thống, giới thiệu số hệ DCS tiêu biểu • Các hệ thống điều khiển phân tán PLC (PLC-based DCS) • Các hệ thống điều khiển phân tán PC (PC-based DCS) • Hệ thống điều khiển giám sát thu thập liệu (SCADA): Cấu trúc hệ thống, công cụ phần mềm, thiết kế giao diện người-máy • Các chuẩn giao tiếp cơng nghiệp: MMS, OPC, XML • Các hướng nghiên cứu ứng dụng © 2002, Hồng Minh Sơn 1.3 u cầu kiến thức sở Phần lớn nội dung giảng mang tính chất tổng hợp, liên mơn, giành cho sinh viên năm cuối Bên cạnh môn sở chuyên ngành, yêu cầu học viên phải nắm vững kiến thức mơn học sau: • Điều khiển số • Mạng truyền thơng cơng nghiệp • Kỹ thuật lập trình C++ (hướng đối tượng) Bên cạnh giảng, phần lớn tài liệu tham khảo cho môn học tập hợp đĩa CD để học viên tự chép 1.4 Tổng quan giải pháp điều khiển 1.4.1 Đặc trưng lĩnh vực ứng dụng điều khiển Khi xây dựng giải pháp điều khiển, ta phải quan tâm tới qui mô đặc thù lĩnh vực ứng dụng Một vài lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu giải pháp điều khiển đặc thù tương ứng tóm tắt • Điều khiển thiết bị máy móc đơn lẻ (cơng nghiệp gia dụng): Các máy móc, thiết bị sản xuất hàng loạt, yêu cầu đầu tư cho giải pháp điều khiển phải thật tiết kiệm (chương trình nhỏ, tốn nhớ) Các tốn điều khiển khác nhau, từ điều khiển logic tới điều khiển phản hồi, điều khiển chuyển động, điều khiển mờ,… Các giải pháp điều khiển tiêu biểu điều khiển nhúng (µP, µC), CNC, PLC, • Tự động hóa cơng nghiệp, chia hai lĩnh vực: • Cơng nghiệp chế biến, khai thác: Các toán điều khiển tiêu biểu điều khiển trình (process control), điều khiển trình tự (sequence control), bên cạnh điều khiển logic Các thiết bị dùng phổ biến PLC, DCS, (I)PC, Compact Digital Controllers • Cơng nghiệp chế tạo, lắp ráp: Các tốn điều khiển tiêu biểu điều khiển logic, điều khiển chuyển động, điều khiển kiện rời rạc Các thiết bị dùng chủ yếu PLC, CNC, PC Nay hệ DCS tìm số ứng dụng lĩnh vực • Điều khiển hệ thống giao thơng, vận tải: Đặc thù tốn điều khiển logic, điều khiển kiện rời rạc Các thiết bị dùng PLC, DCS, PC, µP, µC, © 2002, Hồng Minh Sơn • Điều khiển hệ thống phân phối lượng (dầu khí, gas, điện): Kết hợp tốn điều khiển q trình với điều khiển kiện rời rạc, điều khiển logic, sử dụng PLC, DCS, IPC, • Tự động hóa tũa nh: Rle, PLC, àp, àC, ã iu khin giám sát hệ thống quốc phịng: IPC, µP, µC, DSP thiết bị đặc chủng khác • Điều khiển giám sát hệ thống thủy lợi, mơi trường: PLC, IPC, • 1.4.2 Các hệ thống điều khiển cơng nghiệp Chương trình học đặt trọng tâm vào giải pháp điều khiển công nghiệp, chia làm hai lĩnh vực ứng dụng bản: • Cơng nghiệp chế biến, khai thác (Process Industry): Dầu khí, hóa dầu, hóa mỹ phẩm, dược phẩm, xi măng, giấy, • Công nghiệp chế tạo, lắp ráp (Manufactoring Industry): Công nghiệp ôtô, máy công cụ, công nghiệp điện tử, vi điện tử, thiết bị dân dụng, ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC/TRÌNH TỰ ĐIỀU KHIỂN RỜI RẠC/LOGIC Các điều khiển Bộ điều khiển PID khí nén (1920-1930) Các hệ điều khiển Bộ điều khiển PID điện tử (1940-1950) Rơle điện Programmable Logic Controller (PLC), 1970 Direct Digital Controller DDC (ĐK tập trung, 1965-1975) Compact Digital Controller DCS PLC-based DCS PC-based DCS DISTRIBUTED CONTROL SYSTEMS Hình 1-1: Lịch sử phát triển giải pháp điều khiển 1.4.3 Hệ điều khiển phân tán Hệ điều khiển phân tán (Distributed Control System, DCS) khái niệm xuất xứ từ ngành công nghiệp chế biến, hệ thống điều khiển © 2002, Hồng Minh Sơn thiệp từ xa tới hệ thống điều khiển phía Ngày nay, phần mềm giao diện người-máy chủ yếu xây dựng máy tính cá nhân, dựa kỹ thuật đồ họa đại Giao diện người-máy thành phần hệ thống điều khiển giám sát 11.3.1 • • • • • Yêu cầu chung Đơn giản, dễ sử dụng (easy-to-use) Bền vững, khó gây lỗi (robustness) Tính thơng tin cao (informativeness) Nhất quán (consistency) Đẹp, nhã nhặn (good-looking, elegant) 11.3.2 Các phương pháp giao tiếp người-máy • Đưa lệnh trực tiếp • Lựa chọn lệnh từ menu • Giao tiếp qua hộp thoại 11.3.3 Thiết kế cấu trúc hình Yêu cầu cấu trúc hình • Gần với máy móc, thiết bị, cơng nghệ thực • Khoa học, kết hợp hợp lý phương pháp sử dụng chuyển cấp lựa chọn nhanh • Phân cấp hình • Tổng quan hệ thống (system overview), hệ thống (subsystem overview) • Tổng quan nhóm (group overview) • Hiển thị nhóm (group display) • Hiển thị chi tiết (details display) • Hình ảnh hệ thống, hình ảnh phạm vi/cơng đoạn/máy móc dạng lưu đồ cơng nghệ (process diagram) hình ảnh dây chuyền sản xuất • Đồ thị (trends): Đồ thị thời gian thực, đồ thị khứ • Cửa sổ báo động (alarm windows) © 2002, Hồng Minh Sơn 105 11.3.4 Các nguyên tắc thiết kế Màu • • • sắc Chỉ dùng màu sắc thật cần thiết Nền: màu tối, ví dụ xám sẫm xanh lam đậm Máy móc, thiết bị: Sử dụng hình phẳng, màu độ sáng khác so với nền, cố gắng tránh 3D, tránh mẫu hoa văn • Hình tĩnh (đường ống, máy móc): tránh màu tươi, chói • Tín hiệu trạng thái, hình động: Chọn màu tươi, chói Chữ viết • Hạn chế số font chữ, kiểu chữ, chênh lệch độ lớn • Chân phương, tránh hiệu ứng đặc biệt (3D, lượn sóng, đường viền, ) Các • • • hình ảnh động Hỗ trợ phân biệt trạng thái, ví dụ nhấp nháy Nhất quán tất hình Các số nên chỉnh phải, biến liên quan trực tiếp để gần cách biểu diễn • Biểu diễn đơn vị vật lý với giá trị số đơn vị, khơng dùng % © 2002, Hồng Minh Sơn 106 12 TÍNH SẴN SÀNG VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC HỆ ĐKPT 12.1 Đặt vấn đề Tính sẵn sàng độ tin cậy hệ thống phụ thuộc vào: • Độ tin cậy thiết bị • Cấu trúc hệ thống • Tính hệ thống truyền thơng • Cơ chế dự phịng • Cơ chế an tồn • Cơ chế khởi động lại sau cố nguồn • Cơ chế bảo mật • Khả bảo trì • 12.2 Cơ chế dự phịng u cầu: • Các thành phần quan trọng cần dự phịng hồn tồn để trường hợp lỗi thành phần đơn (phần cứng & phần mềm) khơng làm tính cung cấp • Lỗi module card phép không gây tê liệt trạm vận hành vịng điều khiển Phân biệt • Dự phịng lạnh • Dự phịng nóng: Dự phịng cạnh tranh dự phịng dự trữ Các biện pháp dự phịng nóng • Dự phịng CPU: Mỗi trạm điều khiển cần có CPU dự phòng cạnh tranh, thực song song đồng với CPU so sánh kết • Dự phòng trạm điều khiển: Dự phòng dự trữ 1:1, chuyển mạch kịp thời, trơn tru • Dự phịng dự trữ hệ thống mạng: Dự phòng cáp truyền, dự phịng module truyền thơng thiết bị mạng khác, chuyển mạch kịp thời, trơn tru, thời gian chuyển mạch < 1ms • Dự phịng vào/ra • Dự phịng trạm hnh 1:n â 2002, Hong Minh Sn 107 ã Dự phịng trạm server 1:1 Dự phịng lạnh: • Cho phép thay trực tuyến module vào/ra card khác • Cho phép thay trạm điều khiển thời gian nhanh 12.3 Cơ chế an tồn • Có chế dừng an tồn, dừng khẩn cấp (mạch cứng qua bus an toàn) hệ thống có cấu chuyển động • Tín hiệu tương tự hỗ trợ chế độ an toàn liên lạc với trạm điều khiển phát trạm điều khiển có lỗi (giữ giá trị cuối đưa giá trị mặc định) 12.4 Cơ chế khởi động lại sau cố • Các trạm điều khiển cần có khả tự phát lỗi nguồn, thực xử lý đặt tín hiệu trạng thái an tồn, sau có nguồn trở lại phải có khả hồi phục trạng thái cũ • Các trạm vận hành phải có khả tự hồi phục trạng thái làm việc trước xảy cố • Tất nút mạng phải có khả tự khởi động cách độc lập với nút khác 12.5 Bảo mật • Đặt chế độ bảo mật theo trạm theo người sử dụng để hạn chế, kiểm soát quyền truy nhập liệu điều khiển • Đặt chế độ bảo mật dựa tag riêng rẽ cửa sổ riêng rẽ • Người vận hành cần sử dụng mã ID mật • Cho phép thực bảo mật theo nhóm 12.6 Bảo trì • Chế độ bảo trì: Hệ thống cần cho phép người vận hành đưa trực tiếp giá trị biến trình trường hợp thiết bị trường hỏng, cần sửa chữa hiệu chỉnh • Chỉ thị lỗi: module, card nguồn cần trang bị đèn LED đèn khác để thị trạng thái vận hành • Chẩn đoán: Hệ thống phải hỗ trợ chẩn đoán trực tuyến với yêu cầu tối thiểu như: - CPU trạm điều khiển cần có biện pháp phát sửa lỗi 108 © 2002, Hồng Minh Sơn nhớ - Mạng truyền thông thời gian thực cần sử dụng biện pháp bảo toàn liệu để phát lỗi - Thông báo lỗi thông tin chẩn đoán với người vận hành cấp nguồn, quạt thơng gió/làm mát, card DCS, máy in, ROM trạm điều khiển, lỗi thực thuật toán điều khiển, lỗi nạp chương trình lên/xuống, • System back-up: Tồn hệ thống phần mềm cần lưu trữ backup phương tiện phổ thông, tất phần mềm phát triển, chương trình ứng dụng gói phần mềm chuẩn tuỳ chọn phải cung cấp đĩa cứng đĩa CD • Các cơng cụ đặc biệt nhà sản xuất cung cấp, phục v chn oỏn v thay th thit b ã â 2002, Hoàng Minh Sơn 109 13 ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 13.1 Đánh giá lựa chọn sản phẩm DCS tích hợp trọn vẹn 13.1.1 Phạm vi chức Chức điều khiển sở • Phương pháp điều khiển vịng kín (PID, MPC, Fuzzy) với yêu cầu công nghiệp chuyển chế độ Manual/Automatic trơn tru, Anti-ResetWindup • Điều khiển logic, khóa liên động Chức điều khiển cao cấp • Điều khiển mẻ, điều khiển cơng thức • Điều khiển thích nghi, bền vững, tối ưu • Điều khiển chun gia Chức điều khiển giám sát • Chất lượng giao diện đồ họa • Khả lập báo cáo tự động • Cơ chế quản lý xử lý kiện, cố • Hỗ trợ ActiveX-Control OPC • Hỗ trợ giao diện sở liệu ODBC • Chức Web 13.1.2 • • • • • Cấu trúc hệ thống thiết bị thành phần Cấu trúc vào/ra phân tán hay vào/ra tập trung Cấu trúc cấp điều khiển Cấu trúc cấp điều khiển giám sát Các chủng loại thiết bị hỗ trợ Các hệ thống mạng truyền thông hỗ trợ (đặc biệt bus trường liên quan tới chủng loại thiết bị trường hỗ trợ) 13.1.3 Tính mở • Khả tự mở rộng hệ thống © 2002, Hồng Minh Sơn 110 • Lựa chọn thiết bị nhà cung cấp khác • Hỗ trợ chuẩn cơng nghiệp (COM, OPC, ActiveX-Control, MMS, IEC, ) 13.1.4 Phát triển hệ thống Cấu • • • hình hệ thống Đơn giản, hướng đối tượng Khả phát triển hệ thống cách xun suốt Cấu hình tham số hóa thiết bị mạng truyền thông dễ dàng qua phần mềm từ trạm kỹ thuật Lập • • • • • trình điều khiển Đơn giản, hướng đối tượng Các ngơn ngữ lập trình chun dụng (FBD, SFC, ST, ) Các ngơn ngữ lập trình bậc cao (C/C++, BASIC) Lập trình giao tiếp ngầm hay Khả tự mở rộng thư viện chức (thông qua ngôn ngữ lập trình bậc cao) 13.1.5 Độ tin cậy tính sẵn sàng • Cơ chế dự phịng • Khả bảo mật • 13.1.6 Giá thành, chi phí Chi phí ban đầu • Chi phí thiêt kế hệ thống • Chi phí phần cứng • Chi phí phần mềm cơng cụ • Chi phí phát triển phần mềm ứng dụng • Chi phí triển khai, đưa vào vận hành • Chi phí đào tạo, chuyển giao cơng nghệ • Chi phí vận hành • Chi phí bảo trì, bảo dưỡng thiết bị phần mềm • Chi phí thiết bị thay • Chi phí dịch vụ hỗ trợ kỹ thuật • Chi phí dừng hệ thống xảy cố © 2002, Hồng Minh Sơn 111 • 13.2 So sánh giải pháp DCS tích hợp trọn vẹn với giải pháp khác So sánh sở tiêu chí: • Phạm vi chức • Độ tin cậy tính sẵn sàng • Tính mở • Phát triển hệ thống • Giá thành, chi phí So sánh với giải pháp PLC+SCADA/HMI Tham khảo [11] So sánh với giải pháp PC + SCADA/HMI Tham khảo [10] © 2002, Hồng Minh Sơn 112 14 GIỚI THIỆU MỘT SỐ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN TIÊU BIỂU 14.1 PCS7 Siemens 14.2 PlantScape Honeywell 14.3 DeltaV Fisher Rosermount 14.4 Centum CS1000/CS3000 Yokogawa 14.5 AdvantOCS ABB Tham khảo tài liệu kèm đĩa CD © 2002, Hồng Minh Sơn 113 15 MỘT SỐ HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG 15.1 Trí tuệ nhân tạo phân tán Đối với hệ thống mang đặc thù tính phân tán, việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo phân tán hướng nghiên cứu mới, hứa hẹn nhiều kết khả quan Gần đây, agent (tác tử) multi-agent (đa tác tử) coi cơng nghệ trọng tâm trí tuệ nhân tạo phân tán, thu hút quan tâm đông đảo giới nghiên cứu lĩnh vực công nghệ thông tin Agent thực thể phần mềm thơng minh, có khả tự hoạt động với nhiệm vụ xác định để đạt mục tiêu đề Đáng lưu ý thực tế định nghĩa cho khái niệm agent chấp nhận cách thống Hầu người ta trí tự hoạt động (autonomy) trọng tâm khái niệm agent Có thể nói, đứng quan điểm ứng dụng khác nên nhà nghiên cứu tìm cách đưa định nghĩa thích hợp với lĩnh vực ứng dụng cụ thể Do đó, việc phân loại agent trước định nghĩa có lẽ hợp lý q trình ngược lại Trong thực tế có nhiều quan điểm phân loại agent khác Ví dụ, số tác giả phân biệt agent thông minh, agent di động với agent thông thường Trên Hình 15-1 mơ hình phân loại theo Nwana, chấp nhận tương đối rộng rãi Agent hợp tác-học Hợp tác Học Agent thông minh Agent hợp tác Hình 15-1: Tự hoạt động Agent giao diện Phân loại agent theo Nwana © 2002, Hồng Minh Sơn 114 Các agent thiết kế theo mơ hình single-agent multi-agent Các single-agent khơng nhận biết agent khác để tương tác, mà coi agent phần mơi trường xung quanh Một hệ thống multiagent phân chia nhiệm vụ để nhiều agent phối hợp giải Điều có ý nghĩa hệ thống điều khiển phân tán Theo nhiều quan điểm, agent có đặc điểm sau: • Thơng minh có khả hoạt động độc lập (Autonomy and Intelligence): agent tự kiểm soát chịu trách nhiệm định hành vi mình, tự hoạt động mà không cần đợi tác động từ ngồi vào • Có khả học (Learning): tồn mơi trường động, agent phải có khả học để thích nghi giải vấn đề nảy sinh • Có khả giao tiếp (Communication): giao tiếp agent, agent với người • Có khả phối hợp hoạt động (Co-operation): với agent khác với người nhằm giải vấn đề phức tạp mà agent khơng thể thực • Có khả di chuyển (Mobility): agent di chuyển qua hệ thống, từ khu vực đến khu vực khác nhằm thu thập liệu Tuy nhiên, đặc tính trên, đặc tính thứ thứ hai coi cốt lõi, cịn đặc tính khác tiêu biểu ứng dụng thực tế Ví dụ, khả giao tiếp phối hợp hoạt động hai đặc tính hệ multi-agent Hay khả di chuyển đặc tính tiêu biểu ứng dụng Internet, không thực cần thiết nhiều hệ thống ứng dụng khác 15.2 Điều khiển giám sát hệ thống giao thông 15.2.1 Đặt vấn đề Hệ thống giao thơng nói chung hệ thống điều khiển tín hiệu giao thơng thị nói riêng hệ phân tán tiêu biểu, việc áp dụng phương pháp điều khiển cục hay tập trung khơng thích hợp Độ phức tạp cấu trúc phân tán thể qua phân bố địa lý phạm vi rộng, mà qua phân tán chức tính bất định, dễ thay đổi mơ hình Dựa ý tưởng trí tuệ phân tán, người ta xây dựng mơ © 2002, Hồng Minh Sơn 115 hình kiến trúc tổng thể cho điều khiển thông minh hệ thống đèn tín hiệu giao thơng 15.2.2 Mơ hình hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thơng cơng nghệ Agent Hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thơng thị đưa có cấu trúc phân tán hoàn toàn, thực dạng hệ multi-agent, việc điều khiển nút giao thơng agent đảm nhiệm Thực chất, agent điều khiển thích nghi, có khả nhận biết tình hình giao thơng thực tế để đưa định điều khiển cách thông minh Ví dụ, agent dựa vào lượng giao thông thực tế đường mà đưa định thời gian mở đèn xanh, sử dụng lý thuyết logic mờ A1.0 A1.2 A1.4 A3.2 A5.1 A5.2 A1.6 A3.0 Hình 15-2: A1.8 A3.4 A3.6 A3.8 A5.4 A5.6 A5.8 Mơ hình hệ thống điều khiển tín hiệu giao thơng Mơ hình hệ thống minh họa đơn giản hóa Hình 15-2 Các đường Đơng-Tây đánh số lẻ đường Bắc-Nam đánh số chẵn Các agent điều khiển nút (Ax.y) thuộc tuyến đường nối mạng với thành nhóm Như vậy, agent điều khiển nút thơng thường thuộc hai nhóm khác ứng với hai tuyến đường Trong điều kiện thông thường, agent lân cận có giao tiếp phối hợp hoạt động để đạt mục tiêu đề tối ưu khả lưu thông tuyến đường Ví dụ, A3.4 hợp tác với A3.2, A3.6, A1.4 A.5.4 Trường hợp có cố giao tiếp xảy (ví dụ cố mạng), agent phải có khả chuyển từ chế độ hợp tác sang chế độ hoạt động hồn © 2002, Hồng Minh Sơn 116 tồn độc lập Khi đó, agent khơng có thơng tin hỗ trợ từ agent khác, mà phải tự nhận biết tình để phán đốn khai thác thơng tin Điều khiển sóng xanh ví dụ tiêu biểu Trong trường hợp bình thường, agent tuyến đường chiều trao đổi thơng tin thời điểm mở đèn xanh để tạo khả lưu thơng tốt Tuy nhiên, có cố xảy mặt giao tiếp, agent phải tự nhận biết mẫu lưu lượng giao thông thông qua thiết bị đo để định phối hợp mở đèn xanh Có thể thấy rằng, việc tối ưu hóa toàn cục cho hệ thống phương pháp tĩnh phương pháp động tập trung tốn khơng thể giải hệ phân tán có cấu trúc tham số thay đổi Ngược lại, việc tối ưu hóa cục cho nút giao thông mang lại hiệu cao cho toàn hệ thống Giống kinh tế thị trường, vấn đề trọng tâm khả tự học, tự thích nghi hợp tác agent điều khiển nút để đạt mục tiêu chung cách tốt cho hệ thống Điều khiển thông minh mang đến khả linh hoạt lớn cho hệ thống đèn tín hiệu đem lại thuận tiện tối ưu cho hệ thống giao thơng Ứng dụng trí tuệ phân tán công nghệ agent, multi-agent vào hệ thống điều khiển phân tán nói chung hệ thống giao thơng nói riêng hướng nghiên cứu có nhiều triển vọng 15.3 Điều khiển giám sát hệ thống sản xuất cung cấp điện Hệ thống sản xuất cung cấp điện ví dụ điển hình hệ thống phân tán qui mơ lớn, việc áp dụng phương pháp điều khiển phân tán mang lại hiệu tốt Một số vấn đề lớn đặt ra: • Điều khiển cục nhà máy điện, khu vực điều khiển phối hợp hệ thống điện lưới quốc gia • Tối ưu hóa cục tối ưu hóa tồn cục (chất lượng hiệu kinh tế) • Truyền thơng đường dài • Tính ngẫu nhiên, tính bất định, tính hỗn hợp hệ thống Một số hướng giải pháp là: © 2002, Hồng Minh Sơn 117 • Sử dụng cơng nghệ tác tử đa tác tử cho điều khiển cục phối hợp hoạt động tồn hệ thống • Cơng nghệ truyền thơng qua đường dây tải điện • Cơng nghệ Web cho chức điều khiển giám sát • © 2002, Hoàng Minh Sơn 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Martin Fowler, Kendall Scott: UML Distilled: A Brief Guide to the Standard Object Modeling Language (2nd Edition) Addison-Wesley, 1999 [2] James Rumbaugh, Iva Jacobson, Grady Booch: The unified modeling language reference manual Addison Wesley 1999 (*) [3] Erich Gamma et al.: Design Patterns – Elements of Reuseable ObjectOriented Software Addision- Wesley, 1995 [4] OMG: CORBA – Specification www.omg.org (*) [5] Microsoft Corp.: “DCOM- Technical Overview” White Paper MSDNLibrary (*) [6] Microsoft Corp.: “Dr GUI on Components, COM, and ATL” MSDN Selected Online Column (*) [7] OPC Foundation: OPC – Data Access Custom Interfaces Specification 2.0 www.opcfoundation.org (*) [8] OPC Foundation: OPC – Data Access Automation Interfaces Specification 2.0 www.opcfoundation.org (*) [9] Đặng Anh Việt, Bùi Quang Việt: Xây dựng phần mềm khung cho giải pháp điều khiển PC Đồ án tốt nghiệp, BM Điều khiển Tự động, Đại học Bách khoa Hà Nội, 5/2002 [10] Tạp chí Tự động hóa ngày [11] Chuẩn IEC-61131-3 IEC-61499: www.holobloc.com (*) [12] Trang Web IEC-61131-3: www.plcopen.org [13] Các tài liệu sản phẩm DCS số hãng (*) (*): Có đĩa CD tài liệu kèm theo giảng © 2002, Hồng Minh Sơn 119 ... phân tán truyền thống (DCS) : Cấu trúc hệ thống, thành phần hệ thống, phương pháp phát triển hệ thống, giới thiệu số hệ DCS tiêu biểu • Các hệ thống điều khiển phân tán PLC (PLC-based DCS) • Các hệ. .. quan giải pháp điều khiển 1.4.1 Đặc trưng lĩnh vực ứng dụng điều khiển 1.4.2 Các hệ thống điều khiển công nghiệp 1.4.3 Hệ điều khiển phân tán 1 2 3 CẤU TRÚC CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT... sát (MTGS) trung tâm qua bus hệ thống Giải pháp dẫn đến hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay gọi hệ điều khiển phân tán (HĐKPT) Ưu cấu trúc điều khiển phân tán không dừng lại độ linh hoạt